炭砂濾池設計參數研究與運行效果分析

李洪清， 董 蕓

(天津市華淼給排水研究設計院有限公司， 天津 300190)

1 背景

隨著城市建設用地日益緊張，國內水廠改造、建設中存在規劃建設用地面積小的問題。炭砂濾池可看做是砂濾池和活性炭濾池的結合。與臭氧聯合使用，在運行前期，利用活性炭的吸附和石英砂的物理攔截去除水中有機污染物和懸浮雜質物；待活性炭濾層生成生物膜后，利用生物膜生化作用吸附去除水中有機污染物，石英砂截留水中的顆粒物包括上層活性炭層脫落的生物膜[1]。炭砂濾池綜合了砂濾池和活性炭濾池工藝的優點，提高了對污染物的去除種類，還具有池體占地面積小、運行管理更加簡便的特性，可作為新建或改造水廠的一個較優選擇，具有廣闊的運行前景。

目前國內炭砂濾池水廠的建設主要有兩種情況。第一種情況是在老水廠改造中，通過更換濾料將現有砂濾池或活性炭濾池改造成炭砂濾池。將活性炭濾池改造為炭砂濾池，可以提高水廠產水量，降低出水濁度。當水廠用地已無空間新建深度處理系統，可將砂濾池改造為炭砂濾池用于替代深度處理作用。例如北京長辛店給水廠(4.32×104m3/d)由于水源變化，為了降低出水濁度，將活性炭濾池改為炭砂濾池。嘉興南門水廠(5×104m3/d)和深圳上南水廠(10×104m3/d)為了改善出廠水水質，但由于場地等條件限制，將普通砂濾池改造為炭砂濾池。無錫中橋水廠2009年隨著水廠超濾膜凈水系統建設，水廠將一期30×104m3/d砂濾池分為兩組改造為炭砂濾池，以保證嗅味和有機物的去除。第二種情況是新建水廠選擇炭砂濾池工藝，這些水廠多應用膜處理技術，將炭砂濾池設置在超濾膜工藝前端來保障進膜前水質。炭砂濾池工藝能縮短工藝流程，從而降低工程投資和運行成本。例如北京郭公莊水廠(50×104m3/d)和杭州清泰水廠(30×104m3/d)。

炭砂濾池在設計中存在如下問題：①上層是活性炭濾料，屬于輕介質濾料，顆粒比較大；下層是石英砂，屬于重介質濾料，顆粒細小。在反沖洗時，如果強度控制不好，膨脹率低，無法滿足自然分層的條件，底層石英砂會混入上層活性炭中，造成濾料混層。②炭、砂兩種濾料的比重相差較大，水沖洗時反沖洗強度不好控制，強度大時易出現跑炭現象，強度小則砂層膨脹率不夠，濾料不能被有效而充分的清洗，濾料表面會形成泥膜，導致濾層板結，從而降低過濾能力，造成濾程縮短。筆者通過中試探索炭砂濾池濾料選型和反沖洗強度的確定，以及臭氧+炭砂過濾工藝沉后水部分指標的處理效果，以期為水廠設計和應用提供技術支持。

2 試驗裝置和檢測指標

2.1 試驗裝置

試驗裝置的設計規模為Q=3 m3/h。臭氧接觸單元按照后臭氧接觸設計，接觸時間為12 min。試驗裝置如圖1所示，分別由臭氧接觸單元、炭砂濾柱組成。池體采用碳鋼制作，內部刷防腐涂料。沉淀后原水通過原水泵加壓進入中試系統，投加臭氧對原水中的有機物進行氧化，再進入炭砂濾柱。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental device

2.2 活性炭濾料和石英砂濾料的規格

炭砂濾柱的濾料選用應按《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)中有關過濾和活性炭吸附池的規定執行，濾料的技術性能應滿足現行行業標準《水處理用濾料》(CJ/T 43—2005)、《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》(CJ/T 345—2010)的有關規定。綜合考慮處理水與活性炭層的空床接觸時間，確定活性炭層厚度為1.5 m，試驗中炭砂過濾中的砂層代替了砂過濾，石英砂層厚度為1.0 m。

炭砂濾池活性炭濾料主要選用煤質顆粒活性炭，常見的規格有1.5 mm、8×30目、12×40目等。北京郭公莊水廠炭砂濾池采用1.5 mm 煤質柱狀活性炭；深圳市上南水廠炭砂濾池最初采用粒徑為8×30目的破碎活性炭，后期改為1.5 mm柱狀活性炭; 杭州清泰水廠、嘉興南門水廠炭砂濾池均采用8×30目的柱狀顆粒活性炭。目前炭砂濾池大型工程案例調研的結果也表明，8×30目破碎炭和1.5 mm柱狀炭應用較為普遍，因此本試驗中活性炭濾料采用1.5 mm柱狀炭。結合V型濾池運行情況，試驗中采用均勻級配粗砂濾料，有效粒徑為0.90～1.00 mm，不均勻系數K60≤1.3。

2.3 試驗指標和檢測方法

溫度：溫度計；濁度：TSZ-400A散射光濁度儀；CODMn：酸性高錳酸鉀法；藻類計數：顯微平板計數法。

3 試驗結果及分析

3.1 反沖洗強度試驗

根據《室外給水設計標準》(GB 50012—2018)，下向流活性炭濾池采用氣水聯合沖洗時，應采用先氣沖后水沖的模式，氣沖強度宜采用15～17 L/(m2·s)，歷時宜為3～5 min，常溫下水沖洗強度宜采用7～12 L/(m2·s)，歷時宜為8～12 min，膨脹率宜為15%～20%。單層均勻級配粗砂濾料采用氣水聯合反沖洗的模式，單獨氣沖強度宜采用13～17 L/(m2·s)，歷時宜為1～2 min，單獨水沖洗強度宜采用4～8 L/(m2·s)，歷時宜為5～8 min。

對采用1.5 mm柱狀活性炭濾料和均勻級配粗砂濾料的炭砂濾池水廠的反沖洗情況進行了調查：中橋水廠炭砂濾池反沖洗僅為水沖洗，運行初期破碎炭和柱狀炭的反沖強度分別為7.3 和10.8 L/(m2·s) ，由于達不到充分沖洗的要求，炭層表面相繼出現泥球、板結等現象，后期將反沖強度分別增大到10.3和12.0 L/(m2·s)，濾層泥球、板結等現象大有改善，活性炭碘值也得以部分恢復。北京郭公莊水廠反沖洗為氣沖洗和水沖洗，其中氣沖強度為14 L/(s·m2)，水沖強度為12 L/(s·m2)。

對氣沖洗進行了初步試驗，發現當氣沖強度達到15 L/(m2·s)時，通過觀察窗可以看到活性炭和砂濾料均出現攪動、輕微膨脹現象。

綜合分析后確定，試驗炭砂濾柱氣沖強度采用15 L/(m2·s)，歷時為5 min。在不同水沖強度和歷時條件下進行試驗，具體參數見表1，考察沖洗后36 h過濾周期內炭砂濾柱水頭損失、出水濁度和CODMn變化情況。

表1 氣、水反沖洗強度和歷時Tab.1 Intensity and time of water and air backwash

3.1.1 水頭損失

水頭損失作為濾池反洗周期的一個重要參考指標，隨著濾池對污染物的截留而逐漸增加。本次監測水頭損失試驗時間段以36 h為一個周期，試驗對象為運行穩定后的炭砂濾柱，結果見圖2。

圖2 不同強度反沖洗后的過濾水頭損失對比Fig.2 Head loss of the filter effluent after backwash with different intensity

由圖2可知，在3種不同的反沖洗強度和沖洗歷時的情況下，沖洗結束后，水頭損失逐漸增加。其中方式Ⅲ的初始水頭損失較小，沖洗較為徹底。3種方式下，運行36 h后，水頭損失均達到2.5 m，這說明懸浮物在濾層間積累達到高點，此時應進行強制反沖洗。在實際工程中，建議反洗周期為24 h。

由于我國現階段公路工程施工過程中用到的施工設備均為大型綜合施工設備，因此，在施工設備的維護與檢修過程中，如果施工設備存在管理不善的問題，很容易使設備受損，不僅影響施工效率，增加工程的成本，減少工程的經濟收益。

3.1.2 濁度

沖洗完畢且初濾水排放15 min后，系統穩定運行5 min以上取樣。由圖3可以看出，采用方式Ⅲ的出水濁度明顯優于方式Ⅰ和方式Ⅱ。

圖3 不同強度反沖洗后的濾后水濁度Fig.3 Turbidity of the filter effluent after backwash with different intensity

3.1.3 CODMn

沖洗完畢，初濾水排放15 min后，系統穩定運行5 min以上取樣，結果見圖4。

圖4 不同強度反沖洗后的濾后水CODMnFig.4 CODMn of the filter effluent after backwash with different intensity

從圖4可以看出，3種沖洗方式下對CODMn去除效果基本一致。炭砂濾池去除CODMn的原理主要為濾料截留、炭吸附和部分的生物降解，3種反沖洗強度對其影響不大，分析認為主要原因為在此3種沖洗強度下，炭砂濾池截留或者吸附的中低分子質量的有機物均能夠有效的沖洗排放，并且不影響已形成的生物膜的特性。

3.2 運行試驗

根據所確定的炭砂濾柱濾料規格和厚度，在已經確定的反沖洗強度條件下，考察高藻期和低溫低濁期炭砂濾柱對沉后水各污染指標的去除效果。

3.2.1 高藻期

根據圖5可以看出，在高藻期，炭砂濾池對沉后水CODMn的去除率在21.05%～38.10%，平均值為25.17%。

在高藻期，炭砂濾池對沉后水藻類的去除率在49.73%～58.13%，平均值為53.65%，見圖6。

圖5 炭砂濾池對CODMn的去除效果Fig.5 Removal efficiency of CODMn by carbon sand filter

圖6 炭砂濾池對藻類的去除效果Fig.6 Removal efficiency of alga by carbon sand filter

從圖7可以看出，在高藻期，炭砂濾池對沉后水濁度的去除非常明顯，去除率在78.95%～84.62%，平均值為81.53%。

圖7 炭砂濾池對濁度的去除效果Fig.7 Removal efficiency of turbidity by carbon sand filter

3.2.2 低溫低濁期

從圖8可以看出，在低溫低濁期，炭砂濾池對濁度的去除非常明顯，去除率在67.39%～78.26%之間，平均值為72.86%，低于高藻期；對CODMn去除效果明顯，去除率在12.50%～27.78%之間，平均值為21.45%。

圖8 低溫低濁期炭砂濾池對濁度和COD Mn的去除效果Fig.8 Removal efficiency of turbidity and CODMn by carbon sand filter in low temperature low turbidity stage

4 結論

① 通過綜合比選，確定炭砂濾柱上層為1.5 mm柱狀活性炭濾料，厚度1.5 m；下層為均勻級配粗砂濾料，有效粒徑0.90～1.00 mm，不均勻系數K60≤1.3，厚度1.0 m。

② 炭砂濾柱反沖洗采用先氣沖后水沖的模式，其中氣沖強度為15 L/(m2· s)，歷時5 min；水沖洗強度為12 L/(m2·s)，時間宜為6 min。

③ 高藻期炭砂濾池對沉后水藻類、濁度、CODMn的去除率分別為49.73%～58.13%，78.95%～84.62%和21.05%～38.10%。

④ 低溫低濁期炭砂濾池對沉后水濁度、CODMn的去除率分別為67.39%～78.26%和12.50%～27.78%。